Theo mô hình của nhóm nghiên cứu, nhà máy xi măng có thể được bổ sung các thiết bị tiếp xúc trực tiếp với không khí để thu CO₂, đồng thời mở rộng hoặc điều chỉnh hệ thống nung. CO₂ được tách khỏi không khí sẽ được giữ lại trong chu trình và đưa tới bước lưu trữ lâu dài. Nhờ vậy, hệ thống không chỉ tránh phát thải CO₂ trong quá trình sản xuất mà về lý thuyết còn có thể tạo ra phát thải âm, tức lượng CO₂ được loại bỏ khỏi khí quyển lớn hơn lượng CO₂ ròng mà toàn bộ hệ thống phát ra.
Các nhà nghiên cứu tại Viện Công nghệ Thụy Sĩ (ETH Zurich) đề xuất kết hợp công nghệ thu CO₂ trực tiếp từ không khí với sản xuất xi măng, tận dụng sự tương đồng về vật liệu và quá trình nung đá vôi. Mô hình được nghiên cứu có thể giúp nhà máy không chỉ giảm phát thải mà còn loại bỏ CO₂ đã có trong khí quyển.
Nhà máy thương mại của Heirloom Carbon Technologies thu giữ CO₂ trực tiếp từ khí quyển.
Điểm đáng chú ý nằm ở sự tương đồng giữa dây chuyền nhà máy xi măng và hệ thống thu CO₂ trực tiếp từ không khí. Cả hai cùng sử dụng đá vôi và các hợp chất canxi, tạo cơ sở để các nhà nghiên cứu tìm cách kết nối 2 quá trình trong một hệ thống sản xuất. Công nghệ mới của ETH Zurich mở hướng tích hợp hệ thống thu CO₂ trực tiếp từ không khí vào nhà máy xi măng.
Tận dụng đá vôi để thu CO₂ từ không khí
Sản xuất xi măng phát thải CO₂ từ hai nguồn chính. Một phần đến từ việc sử dụng nhiên liệu để cung cấp nhiệt cho lò nung, trong khi phần còn lại phát sinh trực tiếp khi đá vôi bị nung và phân hủy. Đá vôi chủ yếu chứa canxi cacbonat. Khi được nung ở nhiệt độ cao, chất này phân hủy thành vôi sống và CO₂. Đây là loại phát thải khó loại bỏ bởi nó xuất phát trực tiếp từ nguyên liệu, ngay cả khi nhà máy đã thay thế nhiên liệu hóa thạch bằng nguồn năng lượng phát thải thấp.
Nhóm nghiên cứu tại ETH Zurich đề xuất tận dụng chính chu trình vật liệu này để thu thêm CO₂ từ không khí. Sau khi đá vôi được nung thành vôi sống, vật liệu được bổ sung nước để tạo thành vôi tôi. Vôi tôi có khả năng hấp thụ CO₂ trong không khí và dần chuyển trở lại thành đá vôi. Đá vôi sau đó có thể tiếp tục được đưa vào quá trình sản xuất xi măng. Nếu chu trình này được lặp lại nhiều lần trước khi vật liệu được sử dụng để sản xuất xi măng, lượng CO₂ được hấp thụ từ không khí có thể tăng lên.
"Điểm đáng chú ý của công nghệ: Sản xuất xi măng và hệ thống thu CO₂ trực tiếp từ không khí đều sử dụng các hợp chất canxi và có công đoạn nung đá vôi. Sự tương đồng này tạo cơ sở để nghiên cứu khả năng kết hợp hai quá trình trong cùng một hệ thống công nghiệp."
Từ giảm phát thải đến loại bỏ CO₂ khỏi khí quyển
Theo mô hình của nghiên cứu, lò nung có thể được điện hóa thay cho việc sử dụng than hoặc khí đốt. Cách này giúp loại bỏ phát thải do đốt nhiên liệu. CO₂ sinh ra trong quá trình nung đá vôi cũng có thể được thu giữ. Sau đó, vôi sống tiếp tục được sử dụng để hấp thụ CO₂ từ không khí.
Phần CO₂ được lấy trực tiếp từ khí quyển không được giữ lại trong sản phẩm xi măng. Thay vào đó, lượng khí này được nén, vận chuyển và đưa tới các địa điểm lưu trữ dưới lòng đất. Đây là điểm khác biệt quan trọng giữa giảm phát thải và loại bỏ CO₂. Thay thế nhiên liệu hóa thạch giúp giảm lượng CO₂ phát sinh. Thu giữ CO₂ từ dây chuyền sản xuất giúp ngăn lượng khí này đi vào khí quyển. Trong khi đó, công nghệ thu CO₂ trực tiếp từ không khí hướng tới việc lấy lượng CO₂ đã tồn tại trong khí quyển và đưa đi lưu trữ lâu dài.
Theo tính toán của nhóm nghiên cứu, việc điện hóa lò nung kết hợp thu giữ CO₂ có thể giảm tác động khí hậu của sản xuất xi măng tới 78% vào năm 2050. Tuy nhiên, hiệu quả của toàn bộ hệ thống phụ thuộc lớn vào nguồn điện. Quá trình thu CO₂ từ không khí tiêu thụ nhiều năng lượng. Nếu điện sử dụng vẫn có cường độ phát thải cao, một phần lợi ích từ việc loại bỏ CO₂ sẽ bị giảm. Ngược lại, khi sử dụng điện phát thải thấp hoặc năng lượng tái tạo, hiệu quả được cải thiện đáng kể. Hiệu quả cao nhưng còn khoảng cách đến quy mô công nghiệp
ETH Zurich đã đánh giá toàn bộ vòng đời của hệ thống, từ khai thác nguyên liệu, xây dựng và vận hành thiết bị đến lưu trữ CO₂. Các kịch bản năng lượng khác nhau cũng được đưa vào phân tích, trong đó có cơ cấu điện hiện tại của Mỹ, hệ thống điện sử dụng nhiều điện gió và điện mặt trời, cùng mô hình sử dụng điện mặt trời kết hợp pin lưu trữ. Kết quả cho thấy hệ thống có thể đạt hiệu suất loại bỏ CO₂ từ 85 - 96% vào năm 2050, tùy thuộc vào nguồn năng lượng. Với mỗi tấn CO₂ được thu giữ và lưu trữ, khoảng 40 - 150 kg CO₂ vẫn có thể phát sinh trong toàn bộ chuỗi công nghệ.
Các số liệu chính từ nghiên cứu:
• Giảm tới 78% tác động khí hậu của sản xuất xi măng vào năm 2050 khi điện hóa lò nung và thu giữ CO₂.
• Hiệu suất loại bỏ CO₂ đạt 85 đến 96% vào năm 2050 tùy theo nguồn điện.
• Mỗi tấn CO₂ được thu giữ và lưu trữ vẫn có thể phát sinh khoảng 40 - 150 kg CO₂ trong toàn bộ chuỗi.
• Hệ thống thu CO₂ trực tiếp từ không khí của Heirloom tại California đã vận hành từ năm 2023 với công suất danh nghĩa 1.000 tấn CO₂/năm.
Dù có tiềm năng, công nghệ vẫn còn nhiều vấn đề cần giải quyết trước khi có thể tích hợp rộng rãi vào các nhà máy xi măng. Một trong những thách thức lớn nhất là nhu cầu năng lượng. Công nghệ thu CO₂ trực tiếp từ không khí cần lượng điện đáng kể, trong khi lò nung điện quy mô lớn vẫn chưa được triển khai rộng rãi trong sản xuất xi măng.
Nhà máy cũng cần bổ sung thiết bị để tăng diện tích tiếp xúc giữa vật liệu canxi và không khí, đồng thời phải có hệ thống nén, vận chuyển và lưu trữ CO₂ lâu dài. Nghiên cứu hiện chưa đưa ra đánh giá đầy đủ về chi phí. Do đó, khả năng cạnh tranh kinh tế của mô hình vẫn cần được kiểm chứng.
Các nhà nghiên cứu cho rằng cần tiếp tục đánh giá giới hạn về kỹ thuật và kinh tế khi kết hợp hai hệ thống. Những kết quả hiện tại mới cho thấy tiềm năng của hướng công nghệ, trong khi khả năng vận hành ổn định và hiệu quả ở quy mô nhà máy xi măng vẫn cần được chứng minh qua các bước nghiên cứu và triển khai tiếp theo.
Nếu được giải quyết về năng lượng, thiết bị và chi phí, việc kết hợp thu CO₂ trực tiếp từ không khí với sản xuất xi măng có thể mở thêm một hướng công nghệ mới cho quá trình khử carbon của ngành, từ mục tiêu giảm lượng CO₂ phát sinh sang khả năng loại bỏ một phần CO₂ đã tồn tại trong khí quyển.
BuilData (TH/ Eurekalert, Interestingengineering)
